CC BY
34
УДК 62-523.3
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
А.С. Харитонов, Н.Н. Трушин
Рассматривается процесс испытания деталей машин, подвергающихся изменяющейся нагрузке. Разработаны проект установки для проведения динамических испытаний, условия и алгоритм проведения испытаний.
Ключевые слова: электрогидравлический эффект, детали машин, динамические испытания, испытательный стенд.
Центральное место в экономике высокоиндустриальных стран занимает машиностроительное производство, которое является главной отраслью металлообрабатывающей промышленности и основой технического перевооружения и реструктуризации всех отраслей мировой экономики. Главной тенденцией развития промышленного производства стал экспоненциальный рост сложности используемой техники, обусловленный результатами научно-технической революции. По оценкам специалистов, сложность продукции машиностроения выросла в среднем в 6 раз за последние сорок лет. Характерной тенденцией в развитии мирового машиностроения является повышение требований, предъявляемых к качеству деталей машин. Усложнение конструкций машин, условий их эксплуатации всегда требовали особого внимания к обеспечению их качества. Так, требуемый уровень брака в настоящее время достигает уровня 0,0001% - одна бракованная деталь на 1 млн деталей, признанных годными [1].
Особые требования относятся к характеристикам деталей машин, подвергающихся высокой нагрузке при работе. Дальнейший срок эксплуатации и разрешение использования этих деталей по назначению будут напрямую зависеть от правильной методики оценки состояния прочности изделий. Такими высоконагруженными и ответственными деталями машин служат, например, гильзы гидравлических цилиндров, корпусы насосов и компрессоров, клапаны регулирующие и запорные, элементы топливной системы двигателей, ёмкости для хранения жидкостей или газов под давлением и др. На перечисленные объекты машин при эксплуатации воздействуют значительные внутренние нагрузки жидкостей или газов. Несоблюдение технических требований при изготовлении этих элементов уменьшает время эксплуатации машин в целом, а также влечет к небезопасной работе с использованием этих элементов. Контролируют выполнение требуемой прочности элемента машины путем серии различных испытаний.
Разработка универсального метода для оценки прочности изготовленных деталей машин повысит достоверность при испытаниях, а также обеспечит возможность контроля всего процесса испытания.
Во время эксплуатации изделий машиностроения внутренняя нагрузка не всегда равномерно распределяется по рабочему элементу. Для проведения испытаний этих изделий требуется применять динамические испытания на прочность, которые являются наиболее достоверными по сравнению с другими известными методами при испытании изделий, подвергающихся изменяющейся нагрузке [2, 4].
Динамические испытания с высокой точностью и большим диапазоном получаемых давлений можно реализовать на основе электрогидравлического эффекта (ЭГЭ), который был изучен и сформулирован Л. А. Юткиным. Особенностью ЭГЭ является преобразование электрической энергии в механическую без применения каких-либо других механических звеньев, тем самым обеспечивается высокий уровень коэффициента полезного действия (КПД). Эффект достигается путем прохождения импульсного электрического разряда через жидкость, находящуюся в открытой или закрытой емкости [2, 4].
Зачастую нагрузка не всегда равномерно распределяется по рабочему элементу, а вследствие испытания этих изделий машиностроения, подвергающихся изменяющейся нагрузке, требуется проводить аналогичным методом, повторяющим условия эксплуатации этого изделия. Такой метод испытаний называется динамическим [4].
Метод динамических испытаний на основе ЭГЭ сократит время испытаний по сравнению с известными методами, уменьшит количество энергозатрат, избавит от визуальной и субъективной оценки состояния изделия во время испытания, приблизит испытания к реальным условиям эксплуатации контролируемой продукции по сравнению с реальными условиями эксплуатации различных изделий машиностроения [4].
На рис. 1 приведен упрощенный вид стенда для проведения динамических испытаний с использованием ЭГЭ. Испытуемое изделие устанавливается в бронекамере и подключается к центральной системе управления. Контроль испытания осуществляется с помощью пульта управления и монитора, на котором отображаются характеристики процесса динамических испытаний. Водяной насос под заданным давлением подает жидкость для испытания в изделие, затем при помощи пульта управления перекрываются каналы подачи и слива жидкости, устанавливаются необходимые характеристики тока для получения требуемого давления. Датчик давления считывает показания во время испытания и в режиме реального времени и передает их на монитор. В конце испытания отработанная жидкость сливается в бак.
Описанный выше стенд должен представлять собой автоматизированную установку с возможностью контроля этапов испытаний и обеспечением проведения достоверных испытаний.
На функциональной схеме (рис. 2) изображены модули управления для испытательного стенда. С помощью персонального компьютера можно отслеживать и управлять процессом испытаний на каждом этапе.
12 3 4
Рис. 1. Общий вид стенда для проведения динамических испытаний на прочность: 1 - монитор; 2 - пульт управления; 3 - испытуемое изделие; 4 - бронекамера; 5 - насосная установка;6 - бак для жидкости
Рис. 2. Функциональная схема установки для проведения динамических
испытаний на прочность
Модуль управления отвечает за включение и выключение насосной установки в модуле подачи жидкости со всеми соответствующими клапанами, генератора импульсов в модуле обеспечения электрическим импульсом, систем сигнализации и защиты в модуль испытаний. Датчик давления считывает показания во время испытания и в режиме реального времени
212
передает его на персональный компьютер, также установлена видеокамера для возможности отслеживания состояния испытуемого изделия во время испытания [4].
Для проведения исследования была разработана экспериментальная лабораторная установка, которая представлена на рис. 3. С её помощью будут проведены лабораторные исследования и выявлены зависимости для получаемого давления.
Рис. 3. Экспериментальная установка: 1 - основание установки;
2,5 - диэлектрические прокладки; 3 - камера для испытаний;
4 - разрядник; 6 - штуцер; 7 - манометр; 8 - датчик давления;
9 - крепежный винт; 10 - крышка
При проведении лабораторного исследования камера для испытаний устанавливается на основании установки с диэлектрической прокладкой. Следующим этапом закрепляются разрядники в камере. Закрывается камера для испытаний крышкой с диэлектрической прокладкой крепежными винтами. В крышку камеры устанавливается датчик давления, подключается штуцер с манометром [6].
Во время лабораторного эксперимента полость камеры для испытаний заполняется водой под давлением, которое фиксируется манометром. Через колебательный контур на разрядники подается ток с разными характеристиками емкости конденсаторов, индуктивности катушек, силы тока и напряжения. Датчик давления определяет каждое показание получаемого
213
давления внутри камеры и в режиме реального времени предает показания давления на электронно-вычислительное устройство. Используя управляющие устройства в колебательном контуре, можно достичь получение разной величины давления за очень короткий промежуток времени [6].
Импульсное наращивание давления во время испытания позволяет воспроизвести реальное распределение давления на конкретный элемент машины. Электрические импульсы следуют с высокой частотой (период следования - микросекунды), что позволяет с максимальной точностью повторять давление, которое оказывается на элементы машин в реальных условиях. Передний фронт импульса достигает требуемого значения давления, следом поступает следующий импульс, тем самым не давая давлению в испытуемом изделии упасть [6].
Получаемое давление при разряде зависит в большей степени от характеристик электроемкости и индуктивности.
Установлены два типа управления давлением: грубая регулировка давлением и тонкая регулировка давлением. Эти два типа полностью связаны с изменением электроёмкости и индуктивности в колебательном контуре [3, 6].
Проведение испытаний этим методом приблизит характер испытаний к реальным условиям эксплуатации изделий. Контроль за каждым этапом испытаний, а также состоянием оборудования можно осуществлять с применением электронно-вычислительной аппаратуры, что делает этот способ наиболее гибким и универсальным. Динамические испытания могут применяться в производстве за счет простоты и маленьких энергозатрат, а также применение этих испытаний имеет экологическую чистоту, так как используется только электрическая энергия.
Описанный выше подход к динамическим испытаниям деталей машин планируется в ближайшее время внедрить на Тульском оружейном заводе и использовать для автоматизированных испытаний деталей производства.
Список литературы
1. Трушин Н.Н. Организационно-технологическая структура производственного процесса на машиностроительном предприятии: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 230 с.
2. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986. 253 с.
3. Использование эффекта Л. А. Юткина в электрогидравлических устройствах / А.А. Бекаев [и др.] // Материалы Международной научно-технической конференции ААИ "Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ". Кн. 7. М.: МГТУ «МАМИ», 2010. 299 с.
214
4. Харитонов А.С. Практическое применение электрогидравлического эффекта при испытании изделий машиностроения на прочность // Сборник научных трудов 3-й Международной молодежной научной конференции «Юность и Знания - Гарантия Успеха - 2016» (5 - 6 октября 2016 года) / под ред. А. А. Горохова / Юго-Западный гос. ун-т. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016. 496 с.
5. Харитонов А.С., Трушин Н.Н. Метод динамических испытаний элементов машин на основе эффекта электрогидравлического удара. Транспортные системы Сибири // Материалы Международной научно-практической конференции «Развитие транспортной системы как катализатор роста экономики государства». (Красноярск, 7 - 8 апреля 2016 г.): в 2 ч. Ч. 2 / под общ. ред.В.В. Минина. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. 710 с.
6. Харитонов А.С. Экспериментальная оценка динамических испытаний на основе электрогидравлического эффекта // Перспективное развитие науки, техники и технологий: сборник научных статей 6-й Международной научно-практической конференции (20 - 21 октября 2016 года) / под ред. А.А. Горохова / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск: ЗАО «Университетская книга». 2016. 173 с.
Харитонов Александр Сергеевич, студент, alex-prenzearamhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., trunikolajayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AUTOMATION OF DYNAMIC TESTS OF MACHINE PARTS BASED ON ELECTROHYDRA ULIC EFFECT
A.S. Kharitonov, N.N. Trushin
The process of testing parts of machines subject to changing load is considered. The project of installation for carrying out of dynamic tests, conditions and algorithm of carrying out of tests is developed.
Key words: electrohydraulic effect, machine parts, dynamic tests, test bench.
Kharitonov Alexandr Sergeevich, student, alex-prenzearamhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolavich, doctor of technical sciences, professor, truniko-lajayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
